官地水电站RCC大坝泄洪底流消能技术研究与应用

彭文明，胡小红，陈 强，张连明

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072）

1 工程概况

官地水电站位于四川省凉山彝族自治州，是雅砻江卡拉至江口河段水电规划5级开发的第3个梯级电站，其主要任务是发电。挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，最大坝高168 m，采用坝身5个表孔和2个中孔泄洪及底流消能的方案。水库正常蓄水位1 330.00 m，设计洪水位1 330.18 m，总库容7.6亿m3，属日调节水库。电站总装机容量2 400 MW，多年平均年发电量118.7亿kW·h。

大坝于2009年9月开始浇筑第1仓混凝土，2011年12月浇筑至坝顶，历时27个月，坝体混凝土浇筑总量约344万m3。电站于2012年3月实现首台机组发电。

2 泄洪消能的特点及技术难点

官地大坝最大坝高168 m，设计洪水流量14 000 m3/s，校核洪水泄洪流量15 900 m3/s，上下游水头差最大达105.6 m，属于典型的高水头、大流量泄洪建筑物。工程处于高山峡谷河段，两岸地势陡峻，岸坡风化卸荷强烈。由于挑流消能存在雾化降雨严重影响岸坡稳定，而底流消能方案具有坝体体形相对简单、有利于碾压混凝土优质快速施工等优点，因此工程采用表孔泄洪、 “宽尾墩+连续跌坎+底流消力池”进行底流消能的方案，具有水头高、落差大、流速高、单宽流量大、单宽泄洪功率大的特点，设计洪水时，下泄单宽流量122.7 m3/（s·m），上下游落差105.6 m，单宽泄洪功率127.1 MW/m；校核洪水时，下泄单宽流量167.37 m3/（s·m），上下游落差104.9 m，单宽泄洪功率172.2 MW/m。

官地高坝泄洪底流消能如按常规设计，水流平滑入池流速可达42~45 m/s，高速紊动水流对消力池底板稳定性极为不利，过流坝面也会因水流速度过大，产生空化、空蚀破坏，其底流消能防冲的规模和技术难度在国内外当属前列。因此，采取措施降低池内临底流速、进行坝面掺气减蚀是该工程泄洪消能的重点，也是最大的技术难点。

3 底流消能的布置形式及消能工试验研究

参考已建工程的经验[1-5]，结合官地大坝泄洪消能的特点进行底流消能设施布置，通过大量模型试验研究论证方案的合理性，并对设计方案进行了优化调整。

3.1 底流消能布置基本体形

溢流表孔泄洪消能建筑物基本布置为 “表孔宽尾墩+连续跌坎+底流消力池”。5个溢流表孔为开敞式，孔口尺寸为15 m×19 m （宽×高），表孔均采用宽尾墩布置形式，中墩厚5 m，边墩厚4 m。溢流堰顶高程为1 311.00 m，下游堰顶幂曲线方程为y=0.042 854x1.85，后接1∶0.75斜坡，再通过半径48.0 m的反弧段与消力池相接。为减小消力池临底流速，在坝体下游反弧末端设连续跌坎，跌坎高度为6.5 m，并在坝面桩号 （坝）0+045.80和 （坝）0+070.00分别设置1道掺气坎槽，使溢流坝面 （含反弧段）得到有效掺气保护。底流消力池底高程1 188.00 m，池底长135 m，宽95 m，尾坎高22.5 m。

3.2 连续跌坎研究

高水头、大流量泄洪工程采用常规底流消能时，由于消力池底板临底流速大，底板的抗冲保护难度很大[6]。为降低消力池底板临底流速和脉动压强，官地大坝采用跌坎式底流消能。

连续跌坎主要进行高度选择研究。跌坎高度对消力池临底流速、池底压强、池内流态和尾坎出口的水流形态均有直接关系。类比其他工程[7-8]，对官地大坝进行5~10 m跌坎高度对比试验研究，试验情况如表1所示。

试验表明，跌坎过高或过低时，临底流速均较高，水流流态不够稳定，消能效果不好。进行6～8 m跌坎高度对比发现，坎高7～8 m时，常遇洪水时将出现面流，且出池流速与水面波动较大；坎高6～7 m时，各种洪水工况流态均较好。结合中小型洪水闸门开启要求，在保障水流流态稳定的前提下确保一定的消能效率，最终确定的跌坎高度为6.5 m。

3.3 宽尾墩布置及体形研究

自中国首创宽尾墩[9]以来，宽尾墩联合消能得到了大量的研究和应用[10-11]，较为成熟的宽尾墩基本体形有Y形和X形。宽尾墩通过改变坝面流态，水体通过宽尾墩作用向竖向拉开扩散，形成空中挑射掺气水流，不但在入池前增大能量损失，同时改善入池后的流速流态分布，形成三元水跃流态，从而提高消能效率。

官地大坝进行了无宽尾墩、Y形和X形 （在Y形基础上局部调整）宽尾墩3个方案的试验比较（见表2）。综合比较流态、临底流速、时均压强、脉动压强等因素，Y形宽尾墩方案在消力池内呈现典型的三元水跃流态，对于消力池底板的安全，尤其是跌坎附近强紊动区底板的安全性优于其他两种方案，作为选择方案。

表1 跌坎高度对比试验结果

表2 宽尾墩体形比较试验结果

Y形宽尾墩：在桩号 （坝）0+35.82～0+45.80范围内泄槽宽度由15 m收缩为8 m，收缩角为19.29°；宽尾墩前端高度为2 m，上边缘线与水平向的夹角为30°。由于受上游来流不对称性的影响，官地大坝2个边表孔泄槽中的水深沿横向分布极不均匀，由此造成宽尾墩断面水翅较为明显，部分裂散水体直接击打两侧边墙。根据边表孔水翅的形状特征和大坝的横缝位置，通过对边表孔Y形宽尾墩进行优化调整，改为不对称V形宽尾墩 （见图1），较好解决了边孔水流流态问题。

图1 不对称V形宽尾墩体形（左边表孔）（高程：m，尺寸：cm）

3.4 溢流坝面掺气减蚀设施研究

通过空化数的计算[12-13]和试验判断，在宽尾墩收缩断面 （坝）0+35.80附近，水流的空化数已经小于0.3，根据文献[14]，有必要在宽尾墩下游溢流坝面采取其他掺气减蚀措施。

按照一般经验，掺气设施对平直段的保护长度约100~150 m，对反弧段的保护长度约70~100 m。官地大坝溢流面直线段长约105 m，后接约45 m长的反弧段，可采用1或2道掺气设施，掺气设施选用坝面常用的坎槽组合形式。

（1）1道掺气坎方案。进行初步布置位置比选发现，掺气坎设置在 （坝）0+045.80处 （宽尾墩墩尾断面）效果最佳；根据文献[15]进行掺气坎截面计算，拟定掺气槽截面尺寸为1 m×1.125 m （宽×深）、坎高范围0.8~2.2 m，并对各种坎高方案进行掺气效果试验。水力模型试验表明，为使反弧段得到有效掺气保护，坎高需取2.2 m，但该方案溢流坝面脉动压强也很大，达到94.1 kPa，将给反弧段造成较大脉动破坏，不是最优选择。

（2）2道掺气坎方案。保持第1道掺气坎位置不变，在 （坝）0+070.00处坝面增设第2道掺气坎，初拟不同坎高方案进行对比试验 （见表3）。经综合比较，当坎高均为1.5 m、掺气槽截面为1.2 m×2.0 m（宽×深）时，掺气浓度基本满足设计要求，且坝面脉动压强峰值较小，为最终选择方案。

表3 2道掺气坎方案对比试验（设计洪水）

4 RCCD溢流坝面设计及施工特点

作为高水头、大流量过流坝面，官地大坝溢流面在预可研阶段进行了是否采用台阶式坝面的比选。虽然在大朝山工程开展了台阶式过流坝面的试验研究，并取得了一定进展，但由于官地最大坝高 （168 m）比大朝山 （111 m）高出很多，且单宽流量远远超出国内外常规台阶式坝面单宽流量，通过水力模型对比试验表明，官地台阶式溢流坝面方案消能效果并不明显，反而大大增加了台阶坝面的空蚀破坏，因而官地最终采用光滑溢流坝面方案。

结合溢流坝结构设计，溢流面采用厚0.5 m的C50抗冲耐磨混凝土；为方便施工和更好的与坝体内碾压混凝土结合，在抗冲耐磨混凝土下设置一层平均厚2.5 m的C25常态混凝土。为保证RCCD快速施工，官地溢流坝面在设计及施工上还采取了以下一些措施：

（1）反弧段分期浇筑施工。由于反弧段坝面由水平过渡到1∶0.75坡度，坝坡相对较缓，为避免坝面常态混凝土浇筑影响碾压混凝土施工进度，采用分期浇筑方式。一期为碾压混凝土施工，坝面为台阶形，每级台阶高1 m；二期为表面常态混凝土施工。其中施工缝面设置3排插筋 （φ32 mm@100 cm），并对1 213.00 m高程反弧段与直线段之间的施工缝采用键槽、布置2道止水铜片。

（2）直线段同期浇筑施工。为方便施工，直线段坝面碾压混凝土和常态混凝土均同期浇筑，使得该部位混凝土更好地与坝体内碾压混凝土结合。

5 结语

官地水电站碾压混凝土重力坝泄洪消能具有高水头、大流量的特点，类比已建工程并经过大量试验研究，最终确定采用 “溢流表孔宽尾墩＋连续跌坎＋底流式消力池”的消能形式。通过水工模型试验研究，对宽尾墩、连续跌坎体形以及溢流坝面掺气减蚀设施等各种消能设施进行充分的验证和优化。结合RCCD的施工特点，对官地大坝溢流面设计和施工采取相关措施，确保工程施工顺利，为电站提前发电奠定了基础。

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